La macchina di Von Neumann. Esecuzione di un programma: instruction fetch. Esecuzione di un programma. Architettura di un elaboratore

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1 Architettura di un elaboratore Ciclo fondamentale della macchina di Von Neumann Uno sguardo ai PC Oltre Von Neumann? La macchina di Von Neumann Lo schema della macchina di Von Neumann, modello sul quale si basano praticamente tutti i moderni computer è basato su quattro elementi fondamentali: La memoria L unità aritmetico logica () L unità di controllo Processore Le unità di Ingresso/Uscita (I/O) F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Esecuzione di un programma Esecuzione di un programma: instruction fetch Una volta introdotta la metodologia di codifica dell informazione per un calcolatore possiamo descrivere con maggiore dettaglio le fasi di esecuzione di un programma che, come visto, sono: Ciclo di esecuzione di un programma: Instruction fetch Decodifica Esegui CU ++ PC: 0011 IR Bus controlli Bus dati Bus indirizzi F/S: F MAR: 0011 MDR: F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A

2 Esecuzione di un programma: decodifica Esecuzione di un programma: esecuzione dell istruzione ++ PC: IR CU Decodifica =ADD =R = R R1: R2: R15: 25 ADD R15 R24 R1: R2: R15: 25 R1: R2: R15: 25 R24: 33 R24: 33 R24: 58 SR: SR: SR: + F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Buffer e cache Lo scambio di informazioni all interno della, ad es. fra CU e avviene a velocità molto maggiore di quella con cui la accede alla. Idea: integrare la con memoria locale veloce contenente i dati a cui si è avuto accesso più di recente: la memoria cache Questo è un esempio del concetto di buffer, largamente usato in informatica. Clock e pipelining La sequenza di passi del processo di esecuzione è sincronizzata da un segnale esterno periodico (clock). Frequenze tipiche del clock Per un moderno calcolatore variano tra alcune centinaia di MHz e 1-2 GHz In generale per una data architettura la velocità aumenta con l aumentare della frequenza di clock. Se la fase IF è l unica che richiede accesso alla, e le fasi di decodifica ed esecuzione sono molto più rapide, questo suggerisce la tecnica del pipelining Cache Dimensione della cache limitata da: Costo elevato Aumento di complessità del processore Instruction Fetch Decodifica Esecuzione Instruction Fetch F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A

3 Uno sguardo ai PC I personal computers (PC) sono oggi i più diffusi strumenti informatici. Vediamone le caratteristiche più importanti. Un case formato ATX F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A La scheda madre o motherboard è l elemento hardware che contiene tutti i principali circuiti necessari al corretto funzionamento di, memoria e dispositivi di I/O.quindi mai risparmiare sulla scheda madre nell acquisto di un PC!!!!! La scheda madre F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Il processore Il processore comprende, come visto,, CU e memoria cache, ovvero memoria locale veloce. I processori più diffusi per PC sono il Pentium prodotto da Intel, giunto ormai alla IV generazione con frequenze di clock oltre i 3 GHz, e i processori prodotti da AMD (es. Athlon) con prestazioni comparabili. I due processori sono praticamente del tutto compatibili dal punto di vista software. F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Il clock Le operazioni di una macchina di Von Neumann vengono eseguite in sequenza: il numero di operazioni che essa svolge in un secondo è dato dalla frequenza di clock. Le frequenze di clock sono aumentate dai 4.77 MHz (ovvero 4.77 milioni di operazioni al secondo) dei primi personal computers IBM agli oltre 3 GHz (ovvero 3 miliardi di operazioni al secondo) degli odierni pentium. La velocità di un computer non dipende però soltanto dalla frequenza di clock del processore, ma oggi anche (o soprattutto) da altri fattori: Velocità di comunicazione con la (bus) Quantità di memoria cache Quantità di memoria F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A

4 La memoria La correntemente utilizzata sui PC è oggi di tipo volatile, basata su tecnologia a semiconduttori. Il tipo più diffuso è la syncronous dynamic o SD. Dimensioni tipiche della memoria di un PC sono dell ordine di MB. I tempi di accesso vanno da qualche ns a qualche decina di ns Dispositivi di I/O Come già accennato i dispositivi di I/O sono di tipo più vario. In generale però essi utilizzeranno: Un bus di I/O, che permette ai dispositivi ad esso collegati di comunicare con il resto del sistema Una interfaccia hardware fra il dispositivo e il PC Una SD DIMM a 168 pin Un protocollo software per gestire i dati provenienti dall interfaccia. F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A La tastiera Il più utilizzato dispositivo di input. La tastiera comprende più di 100 tasti e permette di introdurre caratteri speciali. La disposizione qwerty è quella storica della macchina da scrivere. Esc Tasti funzione Tasti speciali Il mouse Comunissimo dispositivo di input. Dispone di due tasti per compiere azioni e sempre più spesso di una rotellina per far scorrere il testo. Tastiera alfanumerica Tastierino numerico F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A

5 Memorie di massa Hard disk Come già ricordato nei moderni PC la memoria è volatile: una volta spento il computer tutta l informazione in essa contenuta viene perduta. Esistono però dispositivi di I/O su cui possono essere memorizzati dati in modo permanente: le memorie di massa. Cylinder Si dividono essenzialmente in: Dispositivi magnetici: Hard disk, Floppy Disk, Nastri Dispositivi ottici: CD, CDROM, CD-R, CD-RW, DVD F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Head Sector Velocità tipiche di rotazione: rpm (giri/minuto). Tempi tipici di accesso: ms (seek+latency) F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Hard disk (II) La struttura Cylinder-Head-Sector è trasparente per l utente, ma viene gestita dal sistema operativo tramite l operazione di formattazione del disco. Il settore è l unità minima di informazione in lettura/scrittura. I due standard più diffusi per gli hard disk sono il protocollo EIDE (economico e dalle prestazioni medio basse) e quello SCSI (più costoso e dalle prestazioni elevate). Tipiche capacità vanno da 40 a 250 GB Floppy disk Storicamente fra i primi dispositivi di memoria di massa utilizzati. La capacità è molto ridotta (1.44 MB). Sono dispositivi molto economici, ma anche estremamente poco affidabili. F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A

6 Lettori ottici In questi dispositivi la testina magnetica è sostituita da un raggio laser. La presenza o assenza di riflessione su una traccia determina la sequenza di 0 e 1. La capacità di un disco ottico è generalmente inferiore rispetto a quella di un hard disk, anche se la densità di memorizzazione è in realtà più elevata. Ovvi vantaggi sono la portatilità ed economicità del supporto. Si trovano in commercio diversi tipi di dischi ottici: CD audio (558 MB) CDROM, sola lettura, 640 MB CD-R, 640 MB, scrivibili 1 volta CD-RW, 640 MB riscrivibili DVD da 4 a 17 GB F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Altri dispositivi di I/O Modem: permette di trasmettere informazioni sulla linea telefonica e di connettersi, tramite un provider, alla rete Internet Stampante: permette di stampare pagine di testo, fotografie, disegni etc. Le più diffuse sono del tipo a getto di inchiostro, quelle usate in ambiti professionali sono di tipo laser Scanner: permette di acquisire in forma digitalizzata un immagine, che viene quindi trasformata in un file, che poi può essere eventualmente ristampato (come in una fotocopiatrice) o inviato in rete (come in un fax) F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Il bus USB Nasce per risolvere in modo generale il problema della connessione di numerose periferiche al PC. L idea di fondo è che ogni dispositivo collegato al bus possa fare da hub, ovvero da fulcro di una rete a stella di altri dispositivi ad esso collegati. In tal modo si possono collegare fino a 127 dispositivi con velocità di trasferimento 1.5 MB/s (o 12 Mb/s) I cavi di collegamento forniscono anche una tensione di 5 V. PC Mouse Tastiera (+ hub) Modem Scanner Stampante (+hub) Fotocamera digitale F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Firewire & USB 2.0 Il bus USB è inadeguato nelle situazioni in cui è richiesta un alta velocità di trasferimento dati, come ad es. per l utilizzo di dispositivi di memoria di massa esterni. Firewire (alias i.link, ovvero IEEE 1394) e USB 2.0 si contendono attualmente il mercato per quanto riguarda il trasferimento dati ad alta velocità rispettivamente di 400 e 480 Mb/s F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A

7 Tenersi aggiornati Il mondo del PC è in così rapida evoluzione che la maggior parte delle informazioni di questa presentazione sarà obsoleta (o quasi) in un tempo piuttosto breve. Oltre Von Neumann? Lo schema di Von Neumann domina la scena dei calcolatori da ormai più di mezzo secolo un tempo lunghissimo in un campo come l informatica. Utili informazioni sul mondo del PC e sulla miriade di sigle incomprensibili che nascono quasi quotidianamente è il sito (in inglese): L unico punto debole della macchina di Von Neumann è la sua intrinseca sequenzialità. I tentativi per superare l approccio alla Von Neumann si basano tutti su una qualche forma di parallelismo. F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A Architettura SIMD Il primo tipo di architettura parallela ad essere implementato è stato lo schema Single Instruction Multiple Data stream Unità di Controllo Architettura MIMD Uno schema di parallelismo più complesso, e potenzialmente più potente è quello detto di Multiple Instruction Multiple Data stream Rete di connessione Molto efficace per operazioni su dati di tipo vettoriale Per essere realmente utile richiede la realizzazione di algoritmi paralleli F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A F. Ambrosino/E. Vardaci Corso di Informatica A.A